專利名稱：同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)傳感器結(jié)構(gòu)及其封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的設(shè)計、微納加工及生物傳感領(lǐng)域，特別是涉及一種同側(cè) 輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列及其封裝方法。
背景技術(shù)：
生物傳感器是一種新型的具有廣泛應(yīng)用前景的傳感結(jié)構(gòu)?？蓮V泛應(yīng)用于生物醫(yī) 學(xué)、健康醫(yī)療、醫(yī)療藥品、環(huán)境監(jiān)測、國防安全和軍事等。與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，生物傳 感器具有不受電磁干擾、遠程傳感、實時探測、并能用單一設(shè)備實現(xiàn)多種探測等優(yōu)點。微環(huán) 生物傳感器是基于光的耦合理論的光傳感器件，它具有體積小、靈敏度高、與CMOS工藝相 兼容、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點。微環(huán)生物傳感器的傳感原理是這樣的，典型的微環(huán)傳感器如附 圖4所示，為兩個直波導(dǎo)7、8與一個微環(huán)9的耦合，光從直波導(dǎo)的一端輸入，滿足以下條件 的光將耦合進入微環(huán)
m λ = Neff · L其中m為耦合階數(shù)，λ為耦合波長，Nrff為波導(dǎo)的模式折射率，L為微環(huán)的長度。在 微環(huán)中傳播的光到達另一耦合區(qū)將被耦合進另一波導(dǎo)中，并在輸出端下載。當波導(dǎo)上限制 層折射率變化時，將引起模式折射率的變化，從而引起諧振峰的移動。這就是微環(huán)生物傳感 器的傳感原理。要實現(xiàn)光信號的輸入與提取，必須將光波由光纖耦合進輸入波導(dǎo)，輸出光波也必 須由輸出波導(dǎo)耦合進輸出光纖，因此波導(dǎo)與光纖的高效耦合是該傳感結(jié)構(gòu)的一個重要環(huán) 節(jié)，光纖與光波導(dǎo)的直接端面耦合是實際工作中最常見的耦合方法。在光纖與波導(dǎo)精確對 準后，再使用折射率匹配液減少界面的反射損耗就可以實現(xiàn)高效耦合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)傳感結(jié)構(gòu)以及封裝方法，一般 的微環(huán)生物傳感器大多都是兩端耦合結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出的同側(cè)耦合結(jié)構(gòu)相對于兩端耦合結(jié) 構(gòu)更有利于傳感檢測，例如可將其直接探入被測溶液中進行檢測；同時同側(cè)耦合結(jié)構(gòu)更有 利于器件的小型化和集成化。本發(fā)明是一種同側(cè)輸入、輸出微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，包括多個微環(huán)諧振器，該多個微環(huán)諧振器制作于SOI片上，形成微環(huán)諧振器陣列，每個 微環(huán)諧振器包括一個輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)以及一個微環(huán)，該微環(huán)位于輸入波導(dǎo)和輸出 波導(dǎo)之間；一光纖陣列，該光纖陣列并排鑲嵌在石英材料內(nèi)；其中微環(huán)諧振器陣列的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與光纖陣列中的光纖對準連接， 形成同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)。其中所述的微環(huán)位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，該微環(huán)與兩側(cè)的輸入波導(dǎo)和輸出 波導(dǎo)的間隙相同，這有利于使更多的光由輸入波導(dǎo)耦合進微環(huán)，并由微環(huán)耦合進輸出波導(dǎo)。
其中所述多個微環(huán)諧振器的數(shù)量為2-8個。其中所述多個微環(huán)諧振器采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其中所述的每個輸入和輸出波導(dǎo)的端面拋光，并鍍膜以降低背反射。其中所述的光纖陣列的端面鍍膜以降低背反射。其中所述的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與光纖陣列中的光纖對準連接，是采用紫外 膠進行粘結(jié)的。本發(fā)明提供一種同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)傳感器的封裝方法，包括如下步驟步驟1 在SOI片上旋涂光刻膠，通過深紫外曝光或電子束曝光進行波導(dǎo)圖形定 義； 步驟2 通過干法刻蝕技術(shù)在SOI片的頂層硅上刻蝕出多個微環(huán)諧振器，形成微環(huán) 諧振器陣列，每個微環(huán)諧振器包括一個輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)以及一個微環(huán)，該微環(huán)位 于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間；步驟3 對微環(huán)諧振器陣列進行切片和端面拋光，對輸入和輸出波導(dǎo)的端面鍍膜；步驟4 取一并排鑲嵌在石英材料內(nèi)的光纖陣列，將該光纖陣列的端面鍍膜；步驟5 將光纖陣列中的光纖與輸入和輸出波導(dǎo)直接對準，并用紫外膠粘合在一 起，完成同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)的制備。其中所述的微環(huán)位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，該微環(huán)與兩側(cè)的輸入波導(dǎo)和輸出 波導(dǎo)的間隙相同，這有利于使更多的光由輸入波導(dǎo)耦合進微環(huán)，并由微環(huán)耦合進輸出波導(dǎo)。其中所述多個微環(huán)諧振器的數(shù)量為2-8個。其中所述多個微環(huán)諧振器采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其中所述的每個輸入和輸出波導(dǎo)的端面拋光，并鍍膜以降低背反射。其中所述的光纖陣列的端面鍍膜以降低背反射。其中所述的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與光纖陣列中的光纖對準連接，是采用紫外 膠進行粘結(jié)。


為了更詳細的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)勢以及實施方式，下面結(jié)合附圖和具體實施 例對本發(fā)明做一個更詳細的描述，其中圖1為光纖陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為微環(huán)諧振器的陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為微環(huán)諧振器陣列與光纖陣列耦合結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為典型的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式請參閱圖2所示，本發(fā)明提供一種同側(cè)輸入、輸出微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，包括多個微環(huán)諧振器6，該多個微環(huán)諧振器6制作于SOI片10上，每個微環(huán)諧振器6包 括一個輸入波導(dǎo)3a和一個輸出波導(dǎo)4a以及一個微環(huán)5a ；其中所述的微環(huán)5a位于輸入波導(dǎo) 3a和輸出波導(dǎo)3a之間，該微環(huán)5a與兩側(cè)的輸入波導(dǎo)3a和輸出波導(dǎo)4a的間隙相同，這有利 于使更多的光由輸入波導(dǎo)3a耦合進微環(huán)5a，并由微環(huán)5a耦合進輸出波導(dǎo)4a ；四組微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)相同，但是微環(huán)大小不同，根據(jù)技術(shù)背景里介紹的微環(huán)傳感器的傳感原理，微環(huán)的 大小不同，對應(yīng)的可以耦合進微環(huán)并由微環(huán)耦合進輸出波導(dǎo)的光的波長不同，就可以檢測 不同頻率的光波；所述的多個微環(huán)諧振器6的數(shù)量為2-8個，本實施例為4個；雖然本實施 例設(shè)計了 4個微環(huán)諧振器，但實際應(yīng)用中可以根據(jù)實際情況增加或減少；多個微環(huán)諧振器6 采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)寬度視具體應(yīng)用的不同而不同，一般在300nm 1 μ m ；每個微環(huán)諧 振器6中的輸入波導(dǎo)3a與輸出波導(dǎo)4a間距為125 μ m,同時一個微環(huán)諧振器6的輸出波導(dǎo) 4a與相鄰微環(huán)諧振器的輸入波導(dǎo)3b間距也是125 μ m，這樣可以保證與光纖陣列2的精確 對準；所述的每個輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的端面拋光，并鍍膜以降低背反射。請參閱圖1所示，一光纖陣列2，該光纖陣列2并排鑲嵌在石英材料內(nèi)，該光纖陣列 2包括8條光纖Ia-Ih ；光纖陣列2內(nèi)的光纖等間距，每相鄰兩個光纖的間距為125 μ m ；光 纖陣列2的端面鍍膜以降低背反射。請參閱圖3所示，該微環(huán)諧振器陣列的輸入波導(dǎo)3a、3b、3c、3d和輸出波導(dǎo)4a、4b、 4c、4d端面拋光并鍍膜以降低背反射，分別與光纖陣列2中的光纖la、lb、lC、ld、le、lf、lg、 Ih對準連接，是采用紫外膠進行粘結(jié)。由于光纖陣列2中的光纖la、lb、lC、ld、le、lf、lg、 Ih的截面尺寸相對于輸入波導(dǎo)3a、3b、3c、3d和輸出波導(dǎo)4a、4b、4c、4d的橫截面大得多，這 使得波導(dǎo)與光纖的對準比較容易。
請參閱圖3所示，本發(fā)明還提供一種同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)傳感器的封裝方法，包 括如下步驟步驟1 在SOI片10上旋涂光刻膠，通過深紫外曝光或電子束曝光進行波導(dǎo)圖形 定義；步驟2 通過干法刻蝕技術(shù)在SOI片10的頂層硅上刻蝕出多個微環(huán)諧振器6，形成 微環(huán)諧振器陣列，每個微環(huán)諧振器6包括一個輸入波導(dǎo)3a和一個輸出波導(dǎo)4a以及一個微 環(huán)5a，該微環(huán)5a位于輸入波導(dǎo)3a和輸出波導(dǎo)4a之間；步驟3 對微環(huán)諧振器陣列進行切片和端面拋光，對輸入波導(dǎo)3a、3b、3c、3d和輸出 波導(dǎo)4a、4b、4c、4d的端面鍍膜；步驟4 取一并排鑲嵌在石英材料內(nèi)的光纖陣列2，該光纖陣列2包括8條光纖 la-lh，將該光纖陣列2的端面鍍膜；步驟5 將光纖陣列2中的光纖與輸入波導(dǎo)3a、3b、3c、3d和輸出波導(dǎo)4a、4b、4c、4d 直接對準，并用紫外膠粘合在一起，完成同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)的制備。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保擴范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
一種同側(cè)輸入、輸出微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，包括多個微環(huán)諧振器，該多個微環(huán)諧振器制作于SOI片上，形成微環(huán)諧振器陣列，每個微環(huán)諧振器包括一個輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)以及一個微環(huán)，該微環(huán)位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間；一光纖陣列，該光纖陣列并排鑲嵌在石英材料內(nèi)；其中微環(huán)諧振器陣列的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與光纖陣列中的光纖對準連接，形成同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，其中所述的微環(huán)位 于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，該微環(huán)與兩側(cè)的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的間隙相同，這有利于 使更多的光由輸入波導(dǎo)耦合進微環(huán)，并由微環(huán)耦合進輸出波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，其中所述多個微環(huán) 諧振器的數(shù)量為2-8個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，其中所述多個微環(huán) 諧振器采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，其中所述的每個輸 入和輸出波導(dǎo)的端面拋光，并鍍膜以降低背反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，其中所述的光纖陣 列的端面鍍膜以降低背反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，其中所述的輸入波 導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與光纖陣列中的光纖對準連接，是采用紫外膠進行粘結(jié)的。
8.一種同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)傳感器的封裝方法，包括如下步驟步驟1 在SOI片上旋涂光刻膠，通過深紫外曝光或電子束曝光進行波導(dǎo)圖形定義；步驟2 通過干法刻蝕技術(shù)在SOI片的頂層硅上刻蝕出多個微環(huán)諧振器，形成微環(huán)諧振 器陣列，每個微環(huán)諧振器包括一個輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)以及一個微環(huán)，該微環(huán)位于輸 入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間；步驟3 對微環(huán)諧振器陣列進行切片和端面拋光，對輸入和輸出波導(dǎo)的端面鍍膜；步驟4 取一并排鑲嵌在石英材料內(nèi)的光纖陣列，將該光纖陣列的端面鍍膜；步驟5 將光纖陣列中的光纖與輸入和輸出波導(dǎo)直接對準，并用紫外膠粘合在一起，完 成同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)的制備。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列的封裝方法，其中所述的 微環(huán)位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，該微環(huán)與兩側(cè)的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的間隙相同，這 有利于使更多的光由輸入波導(dǎo)耦合進微環(huán)，并由微環(huán)耦合進輸出波導(dǎo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列的封裝方法，其中所述多 個微環(huán)諧振器的數(shù)量為2-8個。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列的封裝方法，其中所述多 個微環(huán)諧振器采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列的封裝方法，其中所述的 每個輸入和輸出波導(dǎo)的端面拋光，并鍍膜以降低背反射。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列的封裝方法，其中所述的光纖陣列的端面鍍膜以降低背反射。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列的封裝方法，其中所述的 輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與光纖陣列中的光纖對準連接，是采用紫外膠進行粘結(jié)。
全文摘要
一種同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)，包括多個微環(huán)諧振器，該多個微環(huán)諧振器制作于SOI片上，形成微環(huán)諧振器陣列，每個微環(huán)諧振器包括一個輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)以及一個微環(huán)，該微環(huán)位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間；一光纖陣列，該光纖陣列并排鑲嵌在石英材料內(nèi)；其中微環(huán)諧振器陣列的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與光纖陣列中的光纖對準連接，形成同側(cè)輸入、輸出的微環(huán)諧振器陣列結(jié)構(gòu)。
文檔編號G02B6/25GK101846770SQ201010143080
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者王春霞, 蘇保青, 陳弘達 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所